14.2 热机的效率
知识点一 燃料的热值
1.燃料
(1)燃料的种类：固体燃料有木柴、煤等，液体燃料有汽油、酒精等，气体燃料有煤气、天然气等
(2)燃料燃烧时能的转化：燃料的燃烧是一种化学变化，在燃烧过程中，燃料的化学能转化为内能。
2.燃料的热值
由于燃料的成分不同，相同质量的不同燃料在完全燃烧时放出的热量不同，在物理学中用热值来表示燃料燃烧时放热本领的大小。
(1)定义：某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，叫做这种燃料的热值，用字母q表示。
提示
“某种燃料”说明热值与燃料的种类有关。每种燃料都有确定的热值，不同燃料的热值一般不同。
“完全燃烧”的含义是烧完、烧尽。如果没有完全燃烧，实际放出的热量比按热值计算出的热量要小。
(2)单位：焦每千克，符号：J/kg。
(3)热值的物理意义：热值在数值上等于1kg某种燃料完全燃烧放出的热量。如木炭的热值为3.4×107J/kg，它表示：1kg的木炭完全燃烧时所放出的热量是3.4×107J。同种燃料的热值相同，不同种燃料的热值一般不同。
提示
热值是燃料本身的一种性质，它只与燃料的种类有关，与燃料的形态、质量、体积、是否完全燃烧、放出热量多少均没有关系。
(4)燃料燃烧放出热量的计算：
表示燃料完全燃烧时放出的热量
看书
(5)对于气体而言，热值的单位还常用“焦每立方米”，符号是J/m3。若气体燃料热值的单位是J/m3，则计算燃料完全燃烧时放出的热量用Q放=Vq。其中V的单位是m3,q的单位是J/m3，Q放的单位是J。
注意
由燃料燃烧放出热量的计算公式Q放=mq变形可得到q=
Q放m
，注意公式中每个物理量都有其特殊的物理意义，而不是纯粹的数学关系，不能错误地认为q与Q放成正比、与m成反比。
知识点二 热机的效率
1.燃料不完全燃烧时，能量的流向
燃料很难完全燃烧，放出的热量往往比按热值计算出的要小，而且有效利用的热量又比放出的热量要小，
(1)提高锅炉中燃料利用率的方法
①.把煤磨成煤粉或煤粒，加大与氧气的接触面积。
②.把空气吹进炉膛，加大送氧量。
(2)从燃料燃烧到对外做功，真正能转变成有用功的那部分能量只是燃料燃烧释放能量的一部分。
2.热机的效率
(1)定义：用来做有用功的那部分能量，与燃料完全燃烧放出的能量之比。
(2)公式：η=
Q有用
Q总
。Q有用是用来做有用功的能量，Q总是燃料完全燃烧放出的能量。
点拨
热机效率总小于1的原因
因为热机在工作过程中，总有能量损失，即Q有用总小于Q总所以热机的效率总小于1。通常情况下，蒸汽机的效率为6%～15%，汽油机的效率为20%～30%，柴油机的效率为30%～45%。
3.提高热机效率的主要途径
(1)使燃料充分燃烧；
(2)尽量减少各种热量损失；
(3)在热机的设计和制造上，采用先进的技术；
(4)使用时，注意保养，保证良好的润滑，合理调整各零件之间的间隙，减小因克服摩擦阻力而额外消耗的能量。
拓展
废气能量的利用
在热机的能量损失中，废气带走的能量最多。设法利用废气的能量，是提高燃料利用率的重要措施。例如，热电站就是人们利用蒸汽轮机排出的废气来供热的，这种既供电又供热的热电站可以大大提高燃料的利用率。
考点一 热值公式、吸热公式和效率公式的综合应用。
【例】在探究水的沸腾实验中，用酒精灯对水进行加热，实验中完全燃烧了56g酒精，则放出了( )J的热量；若这些热量的30%被150g、25℃的水吸收，则水升高的温度是( )℃。[已知水的比热容为4.2×103J/（kg·℃），酒精的热值为30×107J/kg，环境为1标准大气压]
提示
利用公式计算时，单位要统一。本题中的“g”要换算成“kg”。
环境为1标准大气压说明水的沸点为100℃。
【解析】完全燃烧5.6g酒精放出的热量
Q放=m酒精q酒精=5.6×10-3kg×3.0×107J/kg=1.68×105J。
由题意可得，水吸收的热量
Q吸=30%Q放=30%×1.68×105J=5.04×104J。
根据Q吸=cm?t可得水升高的温度
Δt=
Q吸
c水m水
=
5.04×104J
4.2×103J/(kg·℃)×0.15kg
=80℃。
由于标准大气压下水的沸点为100℃，则水温度只能升高：
Δt′=t-t0=100℃-25℃=75℃
【答案】1.68×105 75
提示
标准大气压下水的沸点是100℃，一旦计算得到升温后的末温超过100℃，则末温应取100℃。
考点二 热机效率、功、压强的综合。
【例1】按照规定，我国载货车辆的轮胎对地面的压强应控制在7×105Pa以内，某型号货车部分参数如下表所示。王师傅在执行一次运输任务时开着装满沙子的货车在一段平直的公路上匀速行驶15km。(g取10N/kg，沙子的密度为2.4×103kg/m3，燃油的热值为4.5×107J/kg)
提示
“装满沙子”说明沙子的体积就是车厢容积。
“匀速行驶”说明牵引力和阻力是一对平衡力，则F牵=f。
提示
可得货车与地面的接触面积S=nS单。
请解答该货车在本次运输过程中的下列问题：
(1)通过计算判断该货车是否超载？
提示
用装满沙子时货车对地面的压强与规定的压强相比较而得出。
(2)货车在这段公路上行驶时所受阻力为车总重的
1
50
，这段时间内货车牵引力所做的功是多少？
(3)货车在这一过程中消耗燃油4kg，其热机效率是多少？
【思路分析】
【答案】(1)车厢内所装沙子的质量m=p沙V=2.4×103kg/m3×10m3=2.4×104kg，
沙子的重力G沙=mg=2.4×104kg×10N/kg=2.4×105N，
车轮对地面的压力F=G总=G沙+G车=2.4××105N+6×104N=3.0×105N，
车轮对地面的压强
P=
F
S
=
3.0×105N
3×10-2m2×10
=1×106Pa，
因为1×106Pa＞7×105Pa，所以该货车超载。
(2)因为货车匀速行驶，所以货车受到的牵引力
F牵=f=
1
50
G总=
1
50
×3.0×105N=6×103N，
牵引力做的功W=F牵s= 6×103N×15×103m=9×107J。
(3)燃油完全燃烧放出的热量
Q放=qm′=4.5×107J/kg×4kg=1.8×108J，
货车的热机效率
η=
W
Q放
=
9×107J
1.8×108J
=50%。
【例2】认识自然，亲近自然，初春学校组织学生到某山脚下一农庄进行社会实践活动。小明携带一个质量为1kg的合金锅、一台便携式丁烷气炉(内置一瓶新燃气)。爱探究的小明通过手机上网查到便携式燃气炉的热效率为30%，丁烷气体的燃烧效率为90%，野炊地水的沸点为96℃，测出当地水的温度为26℃。[水的比热容为4.2×103J/(kg·℃)，锅的比热容为0.8×103J/(kg·℃)]
(1)为了保证实验结论的可靠性，小明和小雨选择了两套完全相同的装置，并且控制油的质量以及水的质量( )。
(2)对于两杯水的初温他们的看法却不同。请将下列他们的想法补充完整。
①.小雨认为实验中是直接用( )来表示煤油和菜籽油放出热量的多少。所以，实验中两杯水的初温可以不同。
②.小明认为因为探究过程中他们采用了( )法，所以只有燃料的( )不同，其他因素都必须控制相同。如果两杯水的初温不同那么水的蒸发快慢以及水与周围环境的温差都不相同，于是两杯水的( )就不相同，就有可能会出现燃料燃烧放出的热量多，而水吸收的热量少水温变化低的情况。因此，实验时必须控制水的初温相同。
③.你认为( )(选填“小明”或“小雨”)的想法更合理。
(3)根据他们的实验记录，你认为煤油和菜籽油两种燃料中，热值较大是( )。
(4)小明和小雨在实验前用天平分别测出了烧杯中水的质量以及燃料的质量。并由记录的数据，利用公式Q吸=cm(t-t0)计算出了水吸收的热量。小明想通过这些数据计算出煤油和菜籽油的热值。你认为他的计算结果是( )(选填“可靠”或“不可靠”)的。理由是( )。
【解析】(1)根据Q放=mq，燃料燃烧放出热量的多少与燃料的质量和热值有关，所以要探究热值的大小，需使菜籽油和煤油的质量相等；水吸收热量后温度的变化，与吸热的多少及水的质量有关，所以还要控制两杯水的质量相等。(2)①.质量相同的水，温度变化越大，说明吸收热量越多，所以实验中通过水温升高的多少来表示煤油和菜籽油放出热量的多少。②.要探究不同燃料热值的大小，应使共他条件相同，只有燃料的种类不同，即用到控制变量法；根据热传递的条件，水温与周围环境温度相差越大，越容易发生热传递，若水的初温不同，便可造成水的散热情况不同，所以实验中应控制水的初温相同。③.由以上分析知，小明的分析更加合理。(3)根据表格中的数据，相同质量的两种燃料燃烧完后，甲装置中的水温升高较大，说明煤油放岀的热量较多，即煤油的热值较大。(4)在实验过程中，燃料不可能完全燃烧，且燃料燃烧放出的热量一部分直接散失掉、一部分被烧杯吸收，同时水也会向外散热，所以不能通过水吸收的热量得出燃料燃烧放出的热量，计算结果不准确。
【答案】(1)相等 (2)①.水温升高的多少 ②.控制变量种类散热 ③.小明 (3)煤油 (4)不可靠 燃料不可能完全燃烧且燃料燃烧放出的热量不能完全被水吸收
中考考点解读
解读1：热值概念的理解是中考的一个常考点，常与比热容、密度、质量等一起考查，难度较小，题型主要为选择题。
解读2：热机效率的有关计算也是中考的热点，常与热量一起考查，难度中等，主要以填空题和计算题为主。
中考典题剖析
煤气热量的计算
【例】天然气已经被广泛利用，完全燃烧0.07m3天然气释放的热量为( )J，若这些热量的30%被水吸收，可以将4kg的水由20℃加热到( )℃[q天然气=4×107J/m3，c水=4.2×103J/(kg·℃)]
【解析】完全燃烧0.07m3天然气释放的热量：Q放=Vq天然气=0.07m3×4×107J/m3=2.8×106J；
水吸收的热量：Q吸=30%Q放=30%×2.8×106J=8.4×105J，
由Q吸=c水m(t-t0)可得：8.4×105J=4.2×103J/(kg·℃)×4kg×(t-20℃),
解得水的末温：t=70℃。
【答案】2.8×106 70(每空1分)
考题点睛
中考真题来源于教材内容，属于热量和热值的综合计算题。解答本题考虑热损失时，Q吸=ηQ放，不考虑热损失时，Q吸=Q放。
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